Dette gjør nanobobler med vannkvaliteten i et RAS-anlegg
Hva gjør det med vannkvaliteten i et RAS-anlegg om man tilsetter nanobobler? Og ser man andre spennende effekter på fiskens ytelse og helse? Det var noe av det teknologiselskapet Moleaer ønsket å finne ut av da de gikk vitenskapelig til verks hos Lødingen Fisk.
Artikkelen har også stått på trykk i siste nummer av magasinet LandbasedAQ
Uttestingen Moleaer gjorde hos Lødingen Fisk har munnet ut i en rapport som på norsk heter «Effekt av oksygen-nanobobler på ytelse og vannkvalitet i resirkulerende akvakultursystemer (RAS)». I denne artikkelen forklarer Federico Pasini, som er «senior R & D scientist» i Moleaer, litt om de resultatene de fikk.
Han sier målet med studien var å kvantifisere hvordan innføringen av oksygen-nanobobler kan forbedre vannkvaliteten, redusere energi- og vannforbruk gjennom forbedret oksygenering, bedre partikkelfjerning, økte nitrifikasjonsrater og forebygging av biofilm.
Man utførte studien i to omganger for å evaluere kort- og langtidseffektene på RAS.
Den første ble utført for å karakterisere effekten av nanobobler på prosessen innen 48 timer etter oppstart av nanoboble-generatoren (NBG). Den andre måleomgangen var etter 50 dagers kontinuerlig drift av NBG, med fisk som var mye større og med et betydelig høyere oksygenbehov, i en periode der anlegget var på 60 % av full kapasitet.
– Vi studerte også hva som skjedde og hvordan prosessen responderte på tilstedeværelsen av nanobobler. Til slutt forsøkte vi også å se på hva som skjedde med fisken, selv om vi fremdeles har spørsmål om det. Vi identifiserte likevel noen interessante punkter for fremtidige studier, sier han.
Nanobobler
• Nanobobler er typisk i størrelse mellom 80–200 nanometer og er dermed på størrelse med bakterier og virus.
• Nanobobler oppfører seg annerledes når det kommer til stabilitet, overflateladning, nøytral oppdrift, oksidasjon etc. fordi de er nanoskopiske.
• Nanobobler har nøytral oppdrift og kan forbli suspendert i væske (oftest vann) i flere uker uten å stige til overflaten og forsvinne.
• Med den nanoskopiske størrelsen sikrer nanobobler at en enorm total bobleoverflate forblir i kontakt med vannet – som endrer og forbedrer mange fysiske, kjemiske og biologiske prosesser.
• Nanobobler har en sterk negativ overflateladning som hindrer dem i å slå seg sammen og gjør dem i stand til fysisk å bryte opp emulsjoner og koagulere små partikler – som emulgert fett, oljer og smøremidler – fra vann.
Resultater fra korttidsstudiet
Fastslå at det er nanobobler til stede
– Så hva skjedde så umiddelbart etter at dere startet nanoboblegeneratoren?
– Som forventet var vi i stand til å oppdage oksygen-nanobobler i prosessen. Å måle nanobobler eller nanopartikler er ikke helt enkelt; det er mange variabler, og det kreves presisjon og en streng protokoll. Vi måler nanopartikler vanligvis før forsøket, som en baseline uten nanobobler, altså før generatorene ble startet. Deretter fortsatte vi å samle prøver etter at nanoboblegeneratorene ble startet, og vi målte en netto økning i hvert steg av prosessen (figur 1), i gjennomsnitt 60 millioner per ml, sier han.
– Og vi vet fra våre eksperimenter i laboratoriet og andre erfaringer i felten at denne konsentrasjonen definitivt er tilstrekkelig til å se en effekt på vann, biologi og til en viss grad biokjemi. Vi vet derfor at generelt, uansett hvilket vannsystem vi behandler, forventer vi en reaksjon ved den konsentrasjonen, sier Pasini.
Han sier de så at i løpet av omtrent tre timer var det en nettoøkning på rundt 140 millioner nanobobler per milliliter, med en størrelse på gjennomsnittlig 170 nanometer. Disse nanoboblene sprer seg og fortynnes i hele systemet, noe som resulterer i denne gjennomsnittlige konsentrasjonen i prosessen.
Høy innløsningseffektivitet av oksygen
Han forklarer at de ved å skape små bobler og høy oppholdstid kan vi sikre en svært høy oksygen innløsningseffektivitet, noe som vises umiddelbart gjennom responsen i de fire prøvetakingspunktene.
– Vi hadde en umiddelbar økning i oksygen i alle stadier av prosessen.
Men man så også en veldig interessant og tydelig effekt på skrubbing og fjerning av biofilm (se også faktaboks under).
– Vi vet nanobobler vil på en eller annen måte involveres i alt som har med overflateinteraksjoner å gjøre. I dette tilfellet fører dette til at noe av biofilmen og noe av gammelt belegg på overflatene av tankene og rørene løsner. Innen 24 til 48 timer ser vi en økning i faste stoffer, som deretter løser seg over tid, som igjen resulterer i mindre behov for ozon.
Nanobobler skaper derfor en skure-effekt der visse typer biofilm løsner fra overflater, som deretter går i vannet og kan filtreres ut.
Nanoboblene selv har en svært hard overflate. Dette bidrar til deres mekaniske egenskap, og med den hastigheten de har, klarer de faktisk å skure løst biologisk materiale, slik at det blir suspendert i vannstrømmen og deretter kan gå til trommelfiltrene hvor det blir tatt ut.
– Dette er grunnen til at vi ser en økning i TSS (total suspenderte stoffer) i nesten hvert trinn av prosessen, spesielt fra fisketanken. Vi kan se at i løpet av 48 timer var det flere faste stoffer, noe som indikerer frigjøring av mer partikler. Fôringsraten var den samme, så det var ikke på grunn av noen andre forhold i tanken.
– Vi testet også oksygen innløsningseffektiviteten, og vi målte en effektivitet på over 90 % ved den gassinjeksjonen, som var lav i begynnelsen av prosessen. Vi så også indikasjoner på forbedret desinfeksjon, noe som senere ble bekreftet av UV- og ozondataene, forteller han.
Effekt på nitrifikasjon
– Det mest interessante, etter min mening, var den gunstige effekten på biofilteret, spesielt på nitrifikasjon, sier han. Se også figur 2.
For til syvende og sist er det nitrifikasjonen som bestemmer hvor mye belastning anlegget kan tåle.
– Selv om du kan tilføre mer oksygen, øke fôringen og øke fisketettheten, vil du fortsatt trenge et sterkere og mer effektivt biofilter for å håndtere all ammoniakken, slik at du ikke skaper noen risiko for fiskevelferden.
De så at tilstedeværelsen av nanobobler umiddelbart hadde en positiv effekt på nitrifikasjonens ytelse.
Biologisk nitrifikasjon er en prosess som involverer spesifikke typer bakterier, fordelt i to kategorier som utfører to ulike trinn. Først, AOB-bakterier (aerobe bakterier) som bruker oksygen for å bryte ned ammoniakk til NO₂ (nitritt). Deretter tar en annen gruppe bakterier, kalt NOB (nitrittoksiderende bakterier), denne nitritten og omdanner den til NO₃ (nitrat), som er sluttproduktet av biologisk nitrifikasjon.
Nitrat er den minst giftige formen for fisk, mens nitritt er svært giftig ved lave konsentrasjoner.
– Det er derfor svært viktig at vi forhindrer opphopning av nitritt, som er et symptom på en delvis nitrifikasjonsprosess. Vi viser at med nanobobler hjelper vi til med å fullføre det trinnet som tidligere var begrensende, og totalt sett har vi en positiv effekt på vannkvaliteten, noe som er svært viktig siden nitritt er så giftig for fisk, sier han.
Resultater fra langtidsstudiet
Klarerere vann
Den effekten man fikk allerede i starten, der biofilm ble fjernet fra rørene og overflatene, ga seg etter hvert utslag i et klarere vann i anlegget. Se også figur 3.
Nanoboblene fester seg til overflater og skaper et gassbelegg på disse.
– Vi kan se dette som en gunstig effekt på turbiditeten. Etter 50 dager, da fisken var mye større og den fikk mye mer fôr, hadde vi et mye klarere vann enn da vi startet, sier Pasini.
Økonomisk gunstig
En annen verdifull observasjon som trekkes frem er at det innløste oksygenet økte i hvert trinn av prosessen.
– Og det som er mer relevant, er at vi økte utnyttelsen av oksygenet med 60 prosent sammenlignet med bare konstant oksygenering. Vi klarte dermed å spare mye oksygen sammenlignet med det de normalt ville gjort i anlegget. Dette er et veldig sterkt økonomisk argument for denne typen teknologi, sier han.
Bedret nitrifikasjon
Federico Pasini sier de også fikk bekreftet at nitrifikasjonen ble forbedret med nanobobler i vannet. Se også figur 2.
– Den viktigste kilden til ammoniakk i prosessen er fôret, og utfôringen økte jo utover i forsøket. Men vi så at nitrittnivået ble lavere og lavere, noe som betyr at ytelsen til biofilteret har forbedret seg.
– Vi så også at CO₂-nivåene fulgte omtrent samme trend, så det kan se ut som om det også har en positiv effekt på avgassing, trolig som følge av en bedre karbonomdanning i biofilteret. Så totalt sett forbedret vi vannkvaliteten og reduserte oksygenforbruket, sier han.
Biofilterets effektivitet målt som nitrifiseringshastighet, fant man at økte med over 60 %.
Som et resultat av rense- og rengjøringseffekten og den reduserte turbiditeten, gikk totalt sett det spesifikke forbruket av ozon per tonn biomasse også ned med nesten 70 %.
– Dette bekreftet at vi hadde en positiv effekt på forebygging av biofilm, overflaterengjøring, desinfeksjon og den generelle turbiditeten i vannet, sier Pasini.
Bedret fiskevelferd?
Effektene på vannkvalitet førte også til noen interessante observasjoner, som han legger til de fortsatt skal grave dypere i.
– Det vil kreves flere studier for å virkelig forstå hva som skjer når det gjelder fiskevelferd. Men generelt så vi indikasjoner på positive effekter på fiskevelferden når det gjelder fôrfaktor og relativ vekstindeks. Til tross for observasjonene vi gjorde og dataene vi samlet inn, må vi absolutt undersøke videre før vi trekker noen endelige konklusjoner, understreker han.
– Det vi kan konkludere fra studiene, er at vi generelt hadde høyere stabilitet i innløst oksygen (DO), ettersom oksygeninnholdet totalt sett var høyere og mindre varierende gjennom prosessen. Dette kan absolutt ha en positiv effekt på fiskevelferden.
At turbiditeten i fisketanken ble redusert, kan også ha en positiv effekt på fiskevelferden, samt forebygge begroing og bakteriedannelse for desinfeksjonsformål til en viss grad.
– Den forbedrede biofiltereffektiviteten, generelt lavere konsentrasjon av ammoniakk og nitritt, samt lavere CO₂-konsentrasjon er alle parametere som betyr et sunnere miljø for fisken.
Pasini sier når det kommer til videre forskningsinnsats knyttet til fiskehelse vil de samarbeide med andre forskningsinstitusjoner som har kompetanse til å studere de medisinske og mer metabolske aspektene ved fiskevekst generelt.
– Vi vil gjøre vårt beste for å gi dem så mye kunnskap om nanobobler som vi kan tilby, for å forsøke å løse dette puslespillet, avslutter han.
